náhledy
Letos v srpnu je to 20 let, co začala pracovat jedna z nejdůležitějších a nejúspěšnějších družic současnosti, americká Chandra X. Tento teleskop obíhá Zemi podobně jako Hubbleův teleskop (byť po velmi odlišné dráze), věnuje se ovšem studii jiných objektů. Možná není tak známý, ale jeho vědecký přínos je stejně důležitý. Na prvním snímku je obrázek pozůstatku supernovy SN 1572, kterou právě v roce 1572 pozoroval Tycho Brahe. Sice ji neobjevil, před ním si prokazatelně všimli jiní, ale proč bychom si tím kazili hezký název, že?
Autor: NASA
Vraťme se ale na začátek. Observatoř dostala jméno po astronomovi indického původu Subrahmanyanu Chandrasekharovi. Většinu svého života strávil v USA a stal se americkým občanem ("poangličtil" si i jméno, proto ho nepřepisujeme česky). V odborné práci se věnoval především teorii vývoje hvězd, v roce 1983 v tomto oboru získal Nobelovu cenu. Chandra byla jeho známá přezdívka, původně rodinná, a NASA ho jako jméno pro svou rentegenovou observatoř vybrala v rámci veřejné soutěže v roce 1998. Předtím měla mise název AFAX (Advanced X-ray Astrophysics Facility, tedy Pokročilá observatoř v rentgenovém spektru). Na snímku je „Chandra“ se svou ženou v roce 1939.
Autor: University of Chicago Library
Do kosmu vynesl Chandru raketoplán Columbia 23. července 1999. Columbia byl údajně jediný stroj, do kterého se Chandra mohla vejít, a šlo nakonec o nejtěžší náklad, jaký kdy raketoplán vezl. Na startu měla Chandra a její urychlovací stupen IUS celkovou hmotnost 22 735 kilogramů.
Autor: NASA
Posádka letu STS-93 teleskopu přezdívala "Bomba", protože samotný teleskop měl na palubě zhruba 975 kilogramů paliva (hydrazinu a oxidu dusičitého) navíc k 10 tunám tuhých paliv ve stupni IUS. "Zbavit" se Chandry byl tedy vůbec první bod programu po startu. Teleskop pak vlastními silami zamířil na svou oběžnou dráhu, které dosáhl během následujících dvou měsíců. Proč? Důvod byl prostý: dráha teleskopu leží poněkud mimo běžný pracovní prostor raketoplánů (na rozdíl od známějšího Hubbleova teleskopu). Velmi protáhla eliptická dráha má nejvzdálenější bod zhruba 135 tisíc kilometrů od Země, nejbližší pak zhruba 14 tisíc kilometrů ("Hubble" je zhruba 550 kilometrů na Zemí).
Autor: NASA
Teď se (konečně, že?) dostáváme k samotným pozorováním. "První světlo", jak se říká zahájení provozu teleskopů, dopadlo do objektivu v srpnu 1999. Prvním oficiálně zveřejněným snímkem pak byl tento obrázek pozůstatku zaniklé hvězdy známý jako Cassiopeia A. Po Slunci je to pro nás nejsilnější zdroj rádiových vln na obloze, který vznikl při výbduchu supernovy zřejmě někdy zhruba před 11 tisíci lety. Světlo k Zemi mohlo dorazit zhruba před 350 lety a nemáme žádný doklad, že by ho někdo viděl (možná proto, že Tycho Brahe byl v té době zhruba 70 let po smrti). Tento snímek byl prvním, na kterém vědci mohli vidět zdroj všeho, co vidiíte na obrázku - ten malý světlý bod uprostřed. Co to je?
Autor: NASA
Ani na tomto déle snímaném a tedy podrobnějším snímku Cassiopeia A z roku 2017 bez znalosti astronomie nepoznáte, že tajemný bod je tzv. neutronová hvězda. Je to zbytek původní velké hvězdy, která byla asi 20krát hmotnější než Slunce. Když jí došlo „palivo“, tedy lehčí prvky, které mohou pohánět jadernou fúzi ve hvězdě, hvězda se vlastní gravitaci zhroutila do sebe. Vnější vrstvy se pak odrazily od zbylého jádra (tj. superhusté neutronvé hvězdy uprostřed) a vydaly se na cestu vesmírem.
Autor: NASA
Teď si možná říkáte, proč byl první snímek jen „oranžovo-černý“ a druhý barevný? Chandra samozřejmě barvy nevidí, ale i tak dokáže rozeznat energii každého dopadající rentgenového fotonu (to díky tomu, že jich na její detektory dopadá podstatně méně než na detektory teleskopů zachycujících běžné světlo). Energie fotonů přitom není náhodně určená, odpovídá zdroji - v tomto případě rozžhaveným prvkům vyvrženým z jádra supernovy. Stačí pak fotony obarvit podle energie, a už víme, jaké prvky a v jakém množství hvězda vypustila do okolí.
Autor: NASA
Mimochodem, snímků z Chandry (a v tomto případě i Spizterově teleskopu) bylo v roce 2009 využito k vytvoření 3D modelu „Cas A“, jak se celý název Cassiopeia A zkracuje. Astronomové tak získali lepší představuje, kudy, kolik a jak rychle který materiál uniká, a jak tedy zhroucení hvězdy probíhalo. Barevné kódování v tomto případě je následující: zeleně železo, žlutě argon a křemík, červeně chladnější „trosky“, které září v infračerveném spektru. Všimněte si, že „zelené“ železo, které bylo v jádru hvězdy, dokud ještě fungovala normálně, bylo při explozi vyvrženo rychleji než většina jiného materiálu.
Autor: NASA/CXC/MIT/T.Delaney et al.
Při pohledu na další snímek Tycheho nova SN 1572 vás chceme upozornit na něco, o čem jsme zatím mlčeli. Na snímku s vysvětlením barevného klíče podle prvků bylo fialově vyznačeno něco nazvané „čelo vlny“ - na tomto je modře, vše ostatní je potlačeno. Název je samovysvětlující, ale co to čelo tvoří? Není to horký materiál, zdrojem rentgenových paprsků jsou v tomto případě elektrony mučené ve velmi silných a spletitých magnetických polích. Elektrony produkují tzv. synchrotronní záření, které Chandra zachycuje. Chandra byla první observatoří, která tuto vlnu zachytila a dokázala zachytit i nečekané podrobnosti, jako „pruhy“ na těchto snímcích. Tento detail umožní astronomům lépe zjistit, jak vlastně magnetická pole v této oblasti vypadají.
Autor: NASA
Tento „chomáč“ je znovu Tycheho nova SN 1572, tentokrát se ovšem zaměříme na jiný detail. Fialově je čelo vlny, ostatními barvami pak další materiál (klíč je trochu jiný než v předchozích případech, ale to nevadí). Pozorování Chandry ukázalo, že těžší materiál, tedy jádra atomů, se pohybují jen „kousek“ za čelem vlny, které tvoří mnohem lehčí elektrony. Tedy „kousek“ - rozestup je zhruba půl světelného roku. Protože jádra jsou o tolik těžší, znamená to, že musí mít po srážce výrazně vyšší energie než elektrony. Jak se tedy ověřilo, supernovy jsou opravdu výkonné „továrny“ na vysokoenergetické kosmické záření.
Autor: NASA/CXC/MIT/T.Delaney et al.
Pozůstatek supernovy G292.0+1.8 je pro nás pozemšťany zajímavý proto, že jde o poněkud netypickou supernovu s vysokým obsahem kyslíku. Jak asi víte, většina prvků těžších než hélium a vodík vznikly v nitru hvězd a ve vesmíru se rozšířily právě díky novám a supernovám (svou roli v tvorbě těžkých prvků hrají i neutronové hvězdy, ale to teď nechme stranou). Ale zastoupení jednotlivých prvků v různých supernovách může být různé - nu, a nás pochopitelně velmi zajímají ty, které umožnily vznik života, jak ho známe. Zajímavým detailem je i to, že tato exploze byla velmi nesymetrická - většina materiálu odletěla jedním směrem (na obrázku vpravo nahoru), takže zbylá neutrounovou hvězdu výbuch „odmrštil“ orpačným směrem (doleva dolů).
Autor: NASA/CXC/MIT/T.Delaney et al.
Další vybuchlá supernova, u které se zastavíme, je tzv. Krabí mlhovina (také M1, NGC 1952 či Taurus A), jde o pozůstatek exploze, kterou lidé pozorovali v roce 1054 (kupodivu to zvládli i bez Tychona Brahe). Je zhruba 6 500 světelných let od nás. Tento snímek má v podstatě jen ilustrovat, jak komplexně se dnes podobné objekty mohou pozorovat. Je složený z pozorování ve viditelném spektru (to je zeleně), rentgenovém (od fialové po modrou) a infračerveném (červeně) z různých dalekohledů.
Autor: NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.; ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz
Toto je znovu Krabí mlhovina v rentgenovém spektru. Neutronová hvězda je bílý bod uprostřed disku, ze kterého vzniká výtrysk do levého spodního rohu obrázku a symetricky - ovšem méně viditelný - i na druhou stranu. Bouřlivá aktivita v tomto spektru je dána tím, že neutronová hvězda je tzv. pulzar, velmi rychle se točí. Při průměru zhruba 20 kilometrů se otočí jednou za zhruba 33 milisekund a funguje vlastně jako obří dynamo. Kolem hvězdy vznikají gigantická magnetická pole, a v nich chycené částice pak září v rentgenovém spektru. Pulzar se pomalu „vybíjí“, za rok se délka jedné rotace prodlouží o zhruba 15 mikrosekund.
Autor: NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.; ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz
Na obrázku je nejjasnější supernova za poslední čtyři století označovaná jako SN 1987A. Jak název říká, byla pozorována v roce 1987 a zaměřily se na ni - a stále se opakovaně zaměřují - teleskopy z celého světa. Tento snímek znovu vznikl složením pozorování v různých vlnových délkách: zeleně je viditelné světlo, rentgenové záření (modře) a červeně submilimetrové záření velmi chladného plynu zachycené radioteleskopem ALMA. Vlastně tak pozorujeme, jak rázová vlna z výbuchu „předbíhá“ hmotu - sluneční vítr - který hvězda vyvrhla ještě před svým zánikem. V oblasti je tak hmota s teplotou blízkou absolutní nule, kterou zachytil radioteleskop, tak i hmota zahřátá na miliony stupňů.
Autor: NASA
To je ještě jednou SN 1987A na asi nejznámějším snímku vůbec, který kombinuje údaje z Hubbleova teleskopu a Chandry. Je vlastně poněkud matoucí, protože důležitý je pouze fialový kroužek v jeho středu, jasné zdroje v okolí k supernově nepatří. Mimochodem, „pohrobka“, tedy neutronovou hvězdu v místě původního rudého obra, se zatím pozorovat nepodařilo. Mračno se po výbuchu stále dost nerozptýlilo.
Autor: NASA
Jak jsme již uváděli, rázová vlna z exploze postupně dohání poměrně hustý materiál vyvržený hvězdou zhruba 20 tisíc let před její „smrtí“. Jak se s ním sráží, mění tvar a kroutí se do tvaru, který zachycuje tento model vytvořený podle dat Chandry v roce 2017. Mimochodem, vlna zřejmě již přes oblast s největší hustotou materiálu přešla. V rentgenovém spektru tedy bude záření vlny tedy spíše slábnout (v podstatě do této doby naopak postupně zesilovalo).
Autor: NASA
Poslední hvězdný „pohrobek“, u kterého se zastavíme, je tato mlhovina 3c58. Tak „rozcuchaná“ není jen kvůli pulzaru, který je ve středu objektu (výtrysky míří doprava a doleva), ale i materiálu v okolí a jeho interakci s vyvrženým mračnem. Pulzar v jádru mlhoviny je nečekaně chladný - má povrchovou teplotu zhruba milion stupňů. To je sice pořád dost, ale teorie předpovídají teplotu výrazně vyšší. Hvězda se zřejmě ochlazuje nějakým „exotickým“ způsobem, který zatím není dobře poznaný (možná intenzivní tvorbou neutrin nebo výtrysky částic s vysokými energiemi?). Rentgenové fotony jsou rozlišeně podle energií od červené přes zelenou po modrou barvu.
Autor: NASA
Autor se omlouvá, lhal vám. Ještě jeden snímek pozůstatku supernovy si neodpustí. Toto je vám již dobře známá Cassiopeia A pouze v optickém spektru z Hubbleova teleskopu. Obrázek je to sice krásný a zajímavý, ale většina důležitých informací o skutečné podobě na něm prostě není. A všimněte si také, že pozorování do značné míry ruší hvězdy v okolí, které v rentgenovém spektru jsou „němé“. Tak snad si konečně rentgenové astronomie začnete vážit... A teď už skutečně půjdeme od starých supernov pryč
Autor: NASA
Detail oblasti nazvané NGC 604 v blízké galaxii Messier 33. Ve viditelném světle (růžově, samotné vlevo dole) vypadá kouř rozfoukaný větrem. A skutečně tomu i tak je, protože „výdutě“ v této struktuře jsou podle rentgenových pozorvání Chandry místa, kde se nachází velmi mladé, velmi hmotné a tedy bouřlivé hvězdy. Je jich zhruba 200 a zřejmě ze svého povrchu vyvrhují velká množství rozžhaveného plynu, který „čistí“ jejich okolí a vytváří na běžný pohled prázdná místa v mračnu.
Autor: NASA
Dalším oblíbeným objektem zájmu teleskopu Chandra jsou černé díry. Na tomto snímku je jádro dnes tak dobře známé galaxie M87, ve kterém se podařilo pomocí radioteleskopu EHT pořídit snímek „stínu“ samotné černé díry. Jak vidíte i ze srovnání s Chandrou vlevo, EHT předvedl opravdu úctyhodný výkon. Chandra je nejlepší a nejpřesnější rentgenová observatoř, oblast samotné černé díry ale na jejím obrázku je v podstatě jeden jediný pixel.
Autor: NASA
Tento na pohled velmi nezajímavý snímek vznikl na samém počátku fungování Chandry. Malý kroužek uprostřed je kvazar, tedy masivní černá díra v jádru galaxie, která ve velkém polyká materiál ze svého okolí. Do díry padající hmota se zahřívá, zrychluje a velmi intezivně září, takže okolí černé díry svítí silněji než celý zbytek galaxie. Jde o bodové stroje, které se tak hodí na kalibraci teleskopu - z hlediska většiny teleskopů je to jeden jasný bod, který přesvítí vše v okolí, a na který se tedy dá dobře zaměřit. Kalibrace Chandry ovšem dopadla mnohem lépe, než se čekalo: na snímku se místo bodu objevil jasný rentgenový signál vedla kvazaru. V řídící místnosti propukla údajně nejprve nervozita - odborníci si nebyli jisti, zda nejde o defekt zrcadla. Naštěstí se brzy ukázalo, že jde ve skutečnosti o příjemné překvapení: signál pochází z mohutného výtrysku hmoty z černé díry v jádru galaxie. To je jeden z vůbec energeticky nejsilnějších jevů ve vesmíru, který se do té doby zkoumal jen v rádiovém spektru (ve viditelném spektru jasné příliš nebývají). Chandra v podstatě otevřela nové „okno“ pro jejich zkoumání.
Autor: NASA
Ještě jednou galaktický "jet", či výtrysk. Toto je výtrysk z galaxie M87 a na snímku z poměrně krátkého pozorování jsou vidět dvě věci: „jet“ z centra galaxie není evidentně uniformní (ostatně kdo by to čekal u útvaru dlouhého tisíce světelných let) a vyskytují se v něm z nějakého důvodu aktivnější místa. A za druhé je tu vidět, jak slabý je vlastně signál, který k nám přicházé. Každý pixel na snímku je totiž jeden konkrétní foton, u kterého Chandra zaznamenala čas dopadu a energii. Jak vidíte, v rentgenovém spektru je vesmír mnohem „průhlednější“ než ve viditelném, a tak se hodí na zkoumání pro jiné vlnové délky nepřístupných oblastí jako jsou jádra galaxií (samozřejmě některé vlnové délky procházím hmotou ještě lépe, ale mají zase své nevýhody).
Autor: NASA
Nyní zase něco i pro oko laika. Snímek zachycuje galaxii NGC 4151, která podle hesla „i špatná reklama je dobrá reklama“ byla představena veřejnosti jako Sauronovo oko. Snímek kombinuje výsledky rentgenového (modře), optického (žlutě) a rádiového (červeně) pozorování, takže vašim očím by galaxie nic z Pána prstenů nepřipomínala. Zajímavá je však proto, že je nám relativně blízká (cca 40 milionů světelených let...) a jde zřejmě o poměrně rychle rostoucí a aktivní masivní černou díru. Lze na ní tedy ověřovat hypotézy o jejich vývoji i vlivu na zbytek galaxie.
Autor: NASA
Jedné černé díře se Chandra věnovala obzvláště důkladně: objektu známému jako Saggitarius A v centru naší galaxie, tedy Mléčné dráhy. Je to oblast velmi nepřehledná, do které optické teleskopy prakticky nemají možnost nahlédnout. Chandra během dlouhých sledování středu naší galaxie objevila v okolí naší „centrální“ černé díry (na snímku Sgr A*) například několik desítek menších černých děr, které jsou pomalu přitahovány do jádra galaxie (kroužky). Podle dnešních modelů by černých děr ze zhroucených hvězd mělo v okolí středu Mléčné dráhy být 10 až 40 tisíc. Chandra zatím dokázal zachytit jen ten ty nejaktivnější (které "polykají" hodně hmoty, a ta proto září).
Autor: NASA
A ještě jednou černá díra v centru naší galaxie v celé své falešně barevné kráse. Snímek je pořízen pouze v rentgenovém spektru, barva vyznačuje energii fotonů (rostoucí od červené k modré). Rentgenová astronomie objevila a objevuje mnohé zajímavosti z této oblasti (například záblesky z těles přímo padajících do černé díry). Do budoucna ale budou pro toto zkoumání snad ještě důležitější mikrovlny, které mohou proniknout až přímo k „jádru věci“. Jak vidíte i z tohoto snímku, v rentgenové oblasti je v jádru naší galaxie stále velmi živo.
Autor: NASA
Dalším běžnou činností Chandry je vyhledávání a ověřování tzv. binárních černých děr, tedy masivních černých děr, které obíhají kolem sebe. Na tomto snímku jsou dvě černé díry ve středu galaxie NGC 1128. Jsou dosti vzdálené, ale jde podle všeho o dvě galaxie, jejichž černé díry uvízly ve svých gravitačních polích. Samotné černé díry, i jejich galaxie jsou tak postupně odsouzené k vzájemnému splynutí - i když to rozhodně nebude brzy, galaxie jsou zatím zhruba 25 tisíc světelných let od sebe. Pohybují se ovšem kolem sebe tak rychle, že výtrysky části z obou černých děr kolem nich vlají jako ve větru. Pozorování kombinuje rentgenové záření vytvářené (modré) a rádiové pozorování (červeně). (Takže na tomto snímku odvedla spousta práce rádiová observatoř VLA.)
Autor: NASA
Tento známý snímek zveřejněný roku 2006 zachycuje další velký obor Chandry: zkoumání kup galaxií, tedy vůbec největších struktur ve vesmíru, které drží pohromadě gravitací. Zachycuje kupu galaxií 1E 0657-56 (anglicky se jí říká „Bullet Cluster“, tedy doslova přeloženo „Střelovitá kupa“). Jak vidíte, jde znovu o snímek složený z různých vlnových délek. Optické spektrum vidíte sami jako žluté a bílé, červeně je pak rentgenové záření horkého plynu v kupě. Mračno má tvar rázové vlny. Jak k němu přišlo? Kupa vznikla srážkou dvou menších kup galaxií - vlastně došlo k „průstřelu“ jedné druhou. Co jsou modré oblasti, vysvětlíme si dalším snímku...
Autor: NASA
...kde již modré oblasti nejsou modré, ale vyznačené „vrstevnicemi“. (Modře až bíle je záření v rentgenovém spektru). Zelené křivky vyznačují míru ohybu světla ze zdrojů za kupou 1E 0657-56. Co ho ohýbá? Podle naši znalostí gravitace. Ovšem čeho? Většina hmoty v kupách by měla být ve formě plynu, který ovšem srážka galaxií někdy 100 milionů let před tímto pozorováním výrazně zpomalila a oddělila od zbytku galaxie. Světlo tedy podle nejlepších hypotéz musí ohýbat především tzv. temná hmota. Tu sice nedokážeme přímo nijak pozorovat, ale gravitačně na vesmír kolem opravdu působí. Pozorování bylo v posledních letech zopakováno na desítkách jiných podobných případů. Tohle je pro astronomy extrémně zajímavý důkaz na podpory hypotézy o existenci temné hmoty, protože dokázaly přesně "ukázat prstem" na místo, kde by měla být. Její stopy ale stále nijak zachytit nedokážeme, a její povaha je stále velkou záhadou moderní astrofyziky.
Autor: NASA
Slavným důkazem jsme se s observatoří Chandra pro tentokrát rozloučili. Ovšem není určitě loučení defitinitivní. Stroj měl sice v roce 2018 problém s jedním z gyroskopů a tedy i stabilizací, ale ten se podařilo vyřešit. Dráha je velmi stabilní, na palubě je dostatek paliva na ovládání a natáčení teleskopu, a tak šéfka střediska Belinda Wilkesová říká, že jediné, co životnost programu omezuje, jsou peníze. Zatím NASA souhlasila s finacováním do roku 2024 s možností prodloužení do roku 2030.
Autor: NASA